Java的4种引用方式-强引用、软引用、弱引用和虚引用

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Overview

Java 执行 GC 判断对象是否存活有两种方式其中一种是引用计数。

引用计数：Java 堆中每1个对象都有1个引用计数属性，引用每新增1次计数加1，引用每释放1次计数减1。

在JDK 1.2 以前的版本中，若一个对象不被任何变量引用，那么程序就无法再使用这个对象。也就是说，只有对象处于(reachable)可达状态，程序才能使用它。

从JDK 1.2 版本开始，对象的引用被划分为 4 种级别，从而使程序能更加灵活地控制对象的生命周期。这 4 种级别由高到低依次为

强引用
软引用
弱引用
虚引用，也称为幻影引用

引用类型	被垃圾回收时间	用途	生存时间
强引用	从来不会	对象的一般状态	JVM停止运行时终止
软引用	当内存不足时	对象缓存	内存不足时终止
弱引用	正常垃圾回收时	对象缓存	垃圾回收后终止
虚引用	正常垃圾回收时	跟踪对象的垃圾回收	垃圾回收后终止

4种引用级别的强度，由高到低依次为：强引用 > 软引用 > 弱引用 > 虚引用。

Java 设计 4 种引用方式的好处是

可以让程序员通过代码的方式来决定某个对象的生命周期
有利于垃圾回收

强引用(StrongReference)

强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。

Object strongReference = new Object();
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当内存空间不足时，Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。

如果强引用对象不使用时，需要弱化从而使 GC 能够回收，如下

strongReference = null;
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显式地设置 strongReference 对象为 null，或让其超出对象的生命周期范围，则 GC 认为该对象不存在引用，这时就可以回收这个对象。具体什么时候收集这要取决于 GC 算法。

强引用回收示例

如下示例，当强引用和对象之间的关联被中断了，并且手动调用 gc()，对象就可以被回收了。

class Student {
    //Java Object finalize() 方法用于实例被垃圾回收器回收的时触发的操作
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("Student 被回收了");
    }
}

public  class Solution {

    public static void main(String[] args) {
        //强引用
        Student student = new Student();
        //中断强引用
        student = null;
        //手动调用GC
        System.gc();
    }
}
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执行上述代码，输入如下

Student 被回收了
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软引用(SoftReference)

如果一个对象只具有软引用，则内存空间充足时，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。

import java.lang.ref.SoftReference;

// 强引用
String strongReference = new String("abc");

// 软引用
String str = new String("abc");
SoftReference<String> softReference = new SoftReference<String>(str);
SoftReference softReference = new SoftReference(str); //此种写法也可
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软引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用。如果软引用所引用对象被垃圾回收，JAVA 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

ReferenceQueue referenceQueue = new ReferenceQueue();
String str = new String("abc");
SoftReference softReference = new SoftReference(str, referenceQueue);

str = null;
// Notify GC
System.gc();

System.out.println(softReference.get()); // abc

Reference<? extends String> reference = referenceQueue.poll();
System.out.println(reference); //null
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需要注意的是，软引用对象是在jvm内存不够的时候才会被回收，我们调用System.gc()方法只是起通知作用，JVM什么时候扫描回收对象是JVM自己的状态决定的。就算扫描到软引用对象也不一定会回收它，只有内存不够的时候才会回收。

当内存不足时，JVM 首先将软引用中的对象引用置为 null，然后通知垃圾回收器进行回收

    if(JVM内存不足) {
        // 将软引用中的对象引用置为null
        str = null;
        // 通知垃圾回收器进行回收
        System.gc();
    }
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也就是说，垃圾收集线程会在虚拟机抛出 OutOfMemoryError 之前回收软引用对象，而且虚拟机会尽可能优先回收长时间闲置不用的软引用对象。对那些刚构建的或刚使用过的 “较新的”软对象会被虚拟机尽可能保留，这就是引入引用队列 ReferenceQueue 的原因。

软引用回收示例

如下代码所示，创建一个软引用对象，里面包裹了 byte[]，byte[] 占用了 10M，然后再创建一个 10M 的 byte[] 对象。

SoftReference<byte[]> softReference = new SoftReference<byte[]>(new byte[1024*1024*10]);

System.out.println(softReference.get());
System.gc();
System.out.println(softReference.get());

byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 10];
System.out.println(softReference.get());
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运行上述程序，并附带参数 -Xmx20M，即设置最大堆内存为 20M，程序执行结果如下。

[B@11d7fff
[B@11d7fff
null
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可以很清楚的看到，手动完成 GC 后，软引用对象包裹的 byte[] 还活的好好的，但是当我们再创建了一个 10M 的 byte[] 后，最大堆内存不够了，所以把软引用对象包裹的 byte[] 给干掉了。如果不干掉，就会抛出OOM。

软引用用处

软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

软引用比较适合用作缓存，当内存足够时可以正常的拿到缓存，当内存不够时，就会先干掉缓存，不至于马上抛出 OOM。

例如，浏览器的后退按钮。按后退时，显示的网页内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢？这就要看具体的实现策略了 a. 如果一个网页在浏览结束时就进行内容的回收，则按后退查看前面浏览过的页面时，需要重新构建； b. 如果将浏览过的网页存储到内存中会造成内存的大量浪费，甚至会造成内存溢出。

这时候就可以使用软引用，很好的解决了实际的问题。

    // 获取浏览器对象进行浏览
    Browser browser = new Browser();
    // 从后台程序加载浏览页面
    BrowserPage page = browser.getPage();
    // 将浏览完毕的页面置为软引用
    SoftReference softReference = new SoftReference(page);

    // 回退或者再次浏览此页面时
    if(softReference.get() != null) {
        // 内存充足，还没有被回收器回收，直接获取缓存
        page = softReference.get();
    } else {
        // 内存不足，软引用的对象已经回收
        page = browser.getPage();
        // 重新构建软引用
        softReference = new SoftReference(page);
    }
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弱引用(WeakReference)

弱引用与软引用的区别在于，只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。 不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

弱引用的创建

//创建一个弱引用
WeakReference<Student> studentWeakReference = new WeakReference<Student>(new Student());

//调用get方法 从弱引用对象获得被包裹的对象
Student student = studentWeakReference.get();
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Tips: 如果一个对象是偶尔(很少)的使用，并且希望在使用时随时就能获取到，但又不想影响此对象的垃圾收集，那么你应该用Weak Reference 来记住此对象。

同样的，弱引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

下面的代码会让一个弱引用再次变为一个强引用。

    String str = new String("abc");
    WeakReference<String> weakReference = new WeakReference<>(str);
    // 弱引用转强引用
    // 调用Reference类的get方法 从弱引用对象获得被包裹的对象
    String strongReference = weakReference.get();
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弱引用特点

不管内存是否足够，只要发生 GC，弱引用的对象都会被回收。

弱引用回收示例

WeakReference<byte[]> weakReference = new WeakReference<byte[]>(new byte[1]);

System.out.println(weakReference.get());
System.gc();
System.out.println(weakReference.get());
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程序运行如下

[B@11d7fff
null
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可以很清楚的看到，明明内存还很充足，但是触发了GC，资源还是被回收了。弱引用在很多地方都有用到，比如 ThreadLocal、WeakHashMap。

虚引用(PhantomReference)

虚引用又被称为幻影引用（PhantomReference）。

虚引用顾名思义，就是形同虚设。与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。

虚引用的创建

//引用队列
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();

PhantomReference<byte[]> reference = new PhantomReference<byte[]>(new byte[1], queue);

System.out.println(reference.get());
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执行上述程序

null
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可以看到，程序打印出了 null。查看下虚引用的 get() 源码。

public T get() {
    return null;
}
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可以看到，虚引用的 get() 方法直接返回 null。这就是虚引用特点之一了，即无法通过虚引用来获取对一个对象的真实引用。

虚引用的特点

虚引用的 get() 方法直接返回 null，因此无法通过虚引用来获取对一个对象的真实引用。
与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。
虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于，虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

虚引用的用处

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。
在 NIO 中，就运用了虚引用管理堆外内存。

虚引用的使用示例

String str = new String("abc");
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
// 创建虚引用，要求必须与一个引用队列关联
PhantomReference pr = new PhantomReference(str, queue);
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可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要进行垃圾回收。如果程序发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

下面看一个示例。

class Student {
    //Java Object finalize() 方法用于实例被垃圾回收器回收的时触发的操作
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("Student 被回收了");
    }
}
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    // ...

    ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
    List<byte[]> bytes = new ArrayList<>();
    PhantomReference<Student> reference = new PhantomReference<Student>(new Student(),queue);

    //第一个线程往集合里面塞数据，随着数据越来越多，肯定会发生GC
    new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100;i++ ) {
            bytes.add(new byte[1024 * 1024]);
        }
    }).start();

    //第二个线程死循环，从queue里面拿数据，如果拿出来的数据不是null，就打印出来
    new Thread(() -> {
        while (true) {
            Reference poll = queue.poll();
            if (poll != null) {
                System.out.println("虚引用被回收了：" + poll);
            }
        }
    }).start();

    Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    scanner.hasNext();

    // ...
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执行上述程序

Student 被回收了
虚引用被回收了：java.lang.ref.PhantomReference@1ade6f1
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从运行结果可以看到，当发生GC，虚引用就会被回收，并且会把回收的通知放到 ReferenceQueue 中。